一种折射率测量设备、折射率测量方法和装置与流程

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种折射率测量设备、折射率测量方法和装置。

背景技术：

光学增强膜和光学镜头是光学领域的基础器件，其应用领域非常广泛，包括：显微镜，相机，曝光机，手机和显示器件等。衡量光学膜和光学镜头优劣的指标应包含膜厚、曲率、折射率、反射率、吸收率等。其中，折射率是表征光学膜和光学镜头的光学性质的最重要参数之一，折射率的测量为工艺控制和品质控制的重要环节。

现有的折射率测量方式有全反射临界角测量法和偏振起偏角测量法。常见的阿贝折射仪是基于测量临界角的原理来测量折射率，而常见的椭偏仪是基于偏振光与材料相互作用的原理来测量折射率。光发生全反射是指光由光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质内的现象。

上述现有技术存在的缺陷在于：传统折射率测量设备内部棱镜的折射率为一定值，从而导致折射率测量设备的测量适用范围较窄。

技术实现要素：

本发明提供了一种折射率测量设备、折射率测量方法和装置，以使折射率测量设备的折射率测量范围可调，从而扩大折射率测量适用范围。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供一种折射率测量设备，包括：

磁场发生装置，所述磁场发生装置产生的磁场强度可调节；

壳体，位于磁场发生装置所产生的磁场内且内部填充有磁流体；

光发射器和光接收器，光发射器、光接收器和被测量样品浸入磁流体内，光发射器用于朝向被测量样品发射光线，光接收器用于接收经被测量样品反射的光线，所述反射光线与入射光线的夹角为设定夹角；

控制处理器，与磁场发生装置和光接收器连接，用于接收光接收器的光接收量信息，当光接收量达到设定的光接收量阈值时，判定所述入射光线发生了全反射；并根据入射光线发生全反射时的临界磁场强度确定磁流体折射率，及根据磁流体折射率和设定夹角，确定被测量样品的折射率。

优选地，所述磁流体包括液相载液以及分散于所述液相载液中的磁性颗粒，所述磁性颗粒的表面包覆有活性剂；所述磁性颗粒包括四氧化三铁颗粒、三氧化二铁颗粒和天然磁石颗粒；所述活性剂包括油酸、亚油酸和橄榄油。

优选地，所述液相载液包括水、煤油和乙醇。

优选地，所述壳体为非磁性壳体。

优选地，所述壳体包括玻璃壳体、陶瓷壳体、塑料壳体或树脂壳体。

优选地，所述壳体内壁具有吸光层。

优选地，所述磁场发生装置包括螺线圈和用于给所述螺线圈供电的可调直流恒流电源；所述壳体位于所述磁场发生装置的螺线圈内。

优选地，所述光接收器至少为两个。

本发明提供的折射率测量设备中，光发射器、被测量样品和光接收器之间的位置确定了光发射器发出的光线的入射角。光发射器发出光线照射在被测量样品表面，光接收器能够接受被测样品反射的光线，控制处理器根据光接收器接受的光接收量和光发射器的光发射量判断是否发生了全反射。由于光线在从光密介质射向光疏介质的界面上时才会发生全反射，本发明的壳体内填充的磁流体在磁场发生装置产生的磁场作用下折射率可调，磁场发生装置的磁场调节受控制处理器控制渐变。磁流体的折射率从低到高渐变，入射光线从部分反射到发生全反射的过程中会有发生全反射的临界折射率值，此时入射光线的入射角即被测量样品的全反射临界角。控制处理器根据该临界折射率值和临界角即可算出被测量样品的折射率。本发明提供的折射率测量设备通过测量介质的折射率可调，扩大了被测量样品的折射率测量区间，从而扩大了折射率测量设备的测量适用范围。

另一方面，本发明还提供了一种应用于如上所述折射率测量设备的折射率测量方法，包括：

接收所述光接收器的光接收量信息，当光接收量达到设定的光接收量阈值时，判定所述入射光线发生了全反射；

获取所述入射光线发生全反射时对应的临界磁场强度；

根据所述入射光线发生全反射时的临界磁场强度确定磁流体折射率；

根据磁流体折射率和设定夹角，确定被测量样品的折射率，所述设定夹角为所述反射光线与入射光线的夹角。

本发明提供的折射率测量方法通过调整测量介质磁流体的折射率，获取发生全反射时对应的设定夹角、临界磁场强度和磁流体折射率，最终得出被测量样品的折射率。该折射率测量方法和装置扩大了被测量样品的折射率测量区间，从而扩大了折射率测量设备的测量适用范围。

本发明还提供了一种应用于如上所述折射率测量设备的折射率测量装置，包括：

全反射判定单元，用于接收所述光接收器的光接收量信息，当光接收量达到设定的光接收量阈值时，判定所述入射光线发生了全反射；

获取单元，用于获取所述入射光线发生全反射时的临界磁场强度；

第一确定单元，用于根据所述入射光线发生全反射时的临界磁场强度确定对应的磁流体折射率；

第二确定单元，用于根据磁流体折射率和设定夹角，确定被测量样品的折射率，所述设定夹角为所述反射光线与入射光线的夹角。

本发明提供的折射率测量装置通过调整测量介质磁流体的折射率，获取发生全反射时对应的设定夹角、临界磁场强度和磁流体折射率，最终得出被测量样品的折射率。该折射率测量方法和装置扩大了被测量样品的折射率测量区间，从而扩大了折射率测量设备的测量适用范围。

附图说明

图1为本发明一种实施例提供的折射率测量设备的结构示意图；

图2为本发明一种优选实施例提供的折射率测量设备的结构示意图；

图3为本发明另一种优选实施例提供的折射率测量设备的结构示意图；

图4为本发明的折射率测量方法的流程图；

图5为本发明的折射率测量装置的结构示意图。

附图标记：

1-磁场发生装置

2-壳体

3-光发射器

4-光接收器

5-被测量样品

6-控制处理器

7-支撑座

101-磁场

201-磁流体

11-折射率测量装置

111-全反射判定单元

112-获取单元

113-第一确定单元

114-第二确定单元

具体实施方式

为了扩大折射率测量适用范围，本发明实施例提供了一种折射率测量设备、折射率测量方法和装置。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明作进一步详细说明。

参考图1，本发明一种实施例提供的折射率测量设备，包括：

磁场发生装置1，磁场发生装置1产生的磁场强度可调节；

壳体2，位于磁场发生装置1所产生的磁场101内且内部填充有磁流体201；

光发射器3和光接收器4，光发射器3、光接收器4和被测量样品5浸入磁流体201内，光发射器3用于朝向被测量样品5发射光线，光接收器4用于接收经被测量样品5反射的光线，所述反射光线与入射光线的夹角为设定夹角；

控制处理器6，与磁场发生装置1和光接收器3连接，用于接收光接收器3的光接收量信息，当光接收量达到设定的光接收量阈值时，判定入射光线发生了全反射；并根据发生全反射时的临界磁场强度确定磁流体201折射率，及根据磁流体201折射率和设定夹角，确定被测量样品5的折射率。本发明不对控制处理器6的安装位置进行具体限定，图1中安装在磁场发生装置1边上仅为一示例，控制处理器6与磁场发生装置1和光接收器3之间的连接方式包括有线连接和无线连接，由于本发明的壳体2中填充有磁流体201，可优选采用无线连接的方式进行信息传递。

本发明提供的折射率测量设备中，光发射器3、被测量样品5和光接收器4之间的位置确定了光发射器3发出的光线的入射角。光发射器3发出光线照射在被测量样品5表面，光接收器4能够接受被测样品5反射的光线，控制处理器6根据光接收器4接受的光接收量和光发射器3的光发射量判断是否发生了全反射。当光接收量达到设定的光接收量阈值时，判定入射光线即发生了全反射，该设定的光接收量阈值可以为光发射量的设定百分比，具体的设定百分比由操作人员根据经验或试验得出。由于光线在从光密介质射向光疏介质的界面上时才会发生全反射，本发明的壳体2内填充的磁流体201在磁场发生装置1产生的磁场101作用下折射率可调，磁场发生装置1的磁场调节受控制处理器6控制渐变。磁流体201的折射率从低到高渐变，入射光线从部分反射到发生全反射的过程中会有发生全反射的临界折射率值，此时入射光线的入射角即被测量样品的全反射临界角(磁流体折射率也可从高到低，对应的入射光线从全反射到部分反射也会有临界折射率值)。控制处理器6根据该临界折射率值和临界角即可算出被测量样品5的折射率。本发明提供的折射率测量设备通过实现测量介质的折射率可调，扩大了被测量样品5的折射率测量区间，从而扩大了折射率测量设备的测量适用范围。

在本发明折射率测量设备的一个优选地实施例中，如图2所示，磁流体201包括：磁性颗粒、包覆于所述磁性颗粒表面的活性剂、用于分散磁性颗粒且作为磁性颗粒流动载体的液相载液。磁流体201的设置实现了折射率测量设备的介质折射率可调，活性剂能够分散磁性颗粒，液相载液更有利于磁流体201的流动和磁性颗粒的重新排布，从而更好地完成折射率调节过程。

进一步优选地，磁性颗粒包括四氧化三铁颗粒、三氧化二铁颗粒和天然磁石颗粒，活性剂包括油酸、亚油酸和橄榄油，液相载液包括水、煤油和乙醇。四氧化三铁颗粒、三氧化二铁颗粒和天然磁石颗粒均具有很好的磁性效果，作为磁性颗粒在液相载液中分散更为迅速均匀。水、煤油和乙醇均为较为常见的分散剂，价格低廉且流动性好。活性剂的选用则要考虑到液相载液和活性剂之间的相互作用，本发明的活性剂优选油酸，油酸作为活性剂具有亲水基团和疏水基团，包覆于磁性颗粒表面能够很好地分散于液相载液中。

由于本发明的折射率测量设备的壳体2和磁流体201均处于磁场发生装置1产生的磁场101中，且磁流体201填充在壳体2中，通过磁场101作用与磁流体201改变磁流体201的折射率。永磁材料和铁磁性材料会对磁场101产生干扰，因此壳体2优选为非磁性壳体。磁场101才能不受干扰地作用于磁流体201上，磁流体更好地随磁场强度变化。进一步优选地，该壳体2包括玻璃壳体、陶瓷壳体、塑料壳体或树脂壳体，在壳体2中还可以设置一支撑座7，用于盛放被测量样品5，同时支撑座7的材质也应优选采用非磁性材料。玻璃材料光洁度好、美观且便宜。更进一步优选地，壳体2内壁具有吸光层。即在玻璃壳体、陶瓷壳体、塑料壳体或树脂壳体内壁涂刷一层吸光层，降低对壳体2内部光发射器3和光接收器4的干扰。

优选地，本发明的折射率测量设备的磁场发生装置1包括螺线圈102和用于给螺线圈102供电的可调直流恒流电源103；且壳体2位于磁场发生装置1的螺线圈102内。可调直流恒流电源103通过控制处理器6调节输出的电流，从而达到控制螺线圈102内磁场强度的目的。螺线圈102内部的磁场近似于匀强磁场，壳体2内填充的磁流体201处于匀强磁场内其折射率也更为均匀，同时其折射率随匀强磁场强度变化也更为快速和均匀。而且螺线圈102内的磁场强度与通过螺线圈102的电流呈一一对应相关的关系，便于调节螺线圈102内的磁场强度。因此可调直流恒流电源103输出的电流、磁场强度和磁流体折射率三者具有确定的对应递增函数关系。

在本发明折射率测量设备的另一个优选地实施例中，如图3所示，优选地采用两个光接收器4。光发射器3发射的光线照射于被测量样品5的非平坦表面，分别被两个光接收器4接收，则控制处理器6可以分别根据这两个光接收器4与光发射器3的预定夹角和光接收量来计算被测量样品5的折射率，最后将根据两个光接收器4计算出的折射率计算平均值得到最终的被测样品折射率。同时设置两个光接收器4可以更精确快捷地测定全反射的角度和磁场范围，进而可以更为方便、快捷、精确地判定发生全反射的条件。

如图4所示，本发明还提供的一种应用于如上所述折射率测量设备的折射率测量方法，包括：

步骤S1:接收光接收器的光接收量信息，当光接收量达到设定的光接收量阈值时，判定入射光线即发生了全反射；

步骤S2：获取入射光线发生全反射时对应的临界磁场强度；

步骤S3：根据入射光线发生全反射时的临界磁场强度确定磁流体折射率；

步骤S4：根据磁流体折射率和设定夹角，确定被测量样品的折射率，设定夹角为反射光线与入射光线的夹角。

其中，磁流体折射率和笼罩磁流体的磁场的磁场强度具有对应的函数关系，可根据磁场强度得出对应时刻的磁力你折射率。在确定样品折射率时，假设反射光线与入射光线之间的设定夹角为θ、磁流体折射率为n₁、样品折射率为n₂，在已知发生全反射时的入射角θ/2和磁流体折射率n₁的情况下，可根据全反射临界角公式sin(θ/2)＝n₂/n₁得出样品折射率n₂。

本发明提供的折射率测量方法通过调整测量介质磁流体的折射率，获取发生全反射时对应的设定夹角、临界磁场强度和磁流体折射率，最终得出被测量样品的折射率。该折射率测量方法和装置扩大了被测量样品的折射率测量区间，从而扩大了折射率测量设备的测量适用范围。

如图5所示，本发明还提供的一种应用于如上所述折射率测量设备的折射率测量装置11，包括：

全反射判定单元111，用于接收光接收器的光接收量信息，当光接收量达到设定的光接收量阈值时，判定入射光线即发生了全反射；

获取单元112，用于获取入射光线发生全反射时的临界磁场强度；

第一确定单元113，用于根据入射光线发生全反射时的临界磁场强度确定对应的磁流体折射率；

第二确定单元114，用于根据磁流体折射率和设定夹角，确定被测量样品的折射率，设定夹角为反射光线与入射光线的夹角。

本发明提供的折射率测量装置通过调整测量介质磁流体的折射率，获取发生全反射时对应的设定夹角、临界磁场强度和磁流体折射率，最终得出被测量样品的折射率。该折射率测量方法和装置扩大了被测量样品的折射率测量区间，从而扩大了折射率测量设备的测量适用范围。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。